Biologie cytokinů rodiny gp130/il-6. Tel: / 116

Transkript

1 Biologie cytokinů rodiny gp130/il-6 Tel: / 116

2 Gp130/IL-6 rodina - Rodina cytokinů sdílejících transmembránový receptor, glykoprotein - gp gp130/il-6 cytokiny nálěží do cytokinové třídy I, do skupiny s dlouhými řetězci tvořené 4 těsně semknutými a-helixy (A). - Na rozdíl od ostatních cytokinů třídy 1, jejichž hlavní funkce je regulace hematopoetického a lymfatického systému, gp130 cytokiny mají významné uplatnění i v ostatních buněčných systémech v rámci regulace ontogeneze a homeostáze.

3 Gp130 / IL-6 cytokiny (ligandy) IL-6 interleukin-6 IL-11 interleukin-11 LIF leukemia inhibitory factor CT-1 cardiotrophin-1 CNTF ciliary neurotrophic factor OSM oncostatin M CLC cardiotrophin-like cytokine NPN - neuropoietin Specifické receptory k jednotlivým ligandům IL-6-R IL-11-R CNTF-R CLF OSM-R LIF-R Nesignalizující receptory - a Signalizující receptory - b Po navázání ligandu na specifický receptor se tento komplex váže na receptor gp130 za vzniku stabilního komplexu a spouští se transdukce signálu IL-6 IL-11 LIF CT-1 CNTF! IL-6-R IL-11-R LIF-R CNTF-R Gp130* OSM-R OSM CLF NPN CLC *gp130 samotný má k ligandům velice nízkou afinitu, tím je zabráněno aktivaci gp130 samotným ligandem!

4 Komplexy tvořené cytokiny IL-6 rodiny s jejich receptory Heinrich 2003 Nesignalizující receptory váží dva signalizující receptory, gp130 případně LIFR IL-6 a IL-11 > jejich receptor váže dvě molekuly gp130 LIF, CT-1, CNTF, CLC > sdílejí receptor LIF-R, který se po navázání ligandu váže k jedné molekule gp130. CNTF a CLC sdílejí dále CNTF-R tvořící tak receptorový hetero-trimer. OSM > se kromě LIF-R váže i na OSM-R

5 Příklady struktury receptorů gp130 cytokinů gp130-r gp130 LIFR G-CSFR extracellular IL-12R IL-6R CNTFR IL-11R intracellular

6 Receptory cytokinů třídy 1

7 - Obecně regulují proliferaci, diferenciaci a apoptósu u imunitního, hematopoetického, nervového, kardiovaskulárního a endokrinního systému. Dále se uplatňují v metabolismu kostní a tukové tkáně, v zánětu a v indukci akutní odpovědi na zánět. - V současné době je nejlépe zmapován jejich význam v hematopoéze, imunitní odpovědi, neurogenezi, adipogenezi a reprodukci. - Předpokládá se, že gp130 indukovaná kaskáda transdukce signálu hraje jednu z klíčových rolí v regulaci kmenových buněk obecně a podobně i nádorových buněk.

8

9 Mezi gp130 signalizující cytokiny se řadí i IL-27 (interleukin 27) patřící do rodiny IL-12 (interleukin 12), jeho specifickým receptorem je IL-27Ra (WSX-1) Do rodiny IL-6 cytokinů se dále řadí IL-31 (interleukin 31), který ovšem neváže gp130, ale gp130-like monocyte receptor - IL-31-Ra, který heterodimerizuje s OSM-R

10 IL-6 cytokiny regulace a funkce - Jednotlivé IL-6 cytokiny jsou ve svých účincích z velké části vzájemně zastupitelní - Specifičnost účinků je dána přítomností specifického receptoru na povrchu nebo v okolí buněk, ale také koncentrací jednotlivých cytokinů - gp130 je přítomen prakticky na všech buňkách - Membránově vázaný, receptor může být nahrazen solubilním (IL-6-R, IL-11-R, LIF-R, CNTF-R, gp130 patrně působí jako competitor k membránově vázaným variantám, nebo jako a-receptor. In vivo byl v plasmě prokázán IL-6-R Pro experimentální účely byl připraven komplex IL-6 / IL-6-R = tzv. hyper-il-6, který aktivuje gp130 vždy. Rose-John2002

11 Udržení pluripotentních buněk (ES) Diferenciace do makrofágů (M1) Růst myelomových buněk Podpora trombopoesy Indukce proteinů akutní fáze IL-6 IL11 LIF OSM CNTF CT-1 -/ / nd nd nd Indukce ACTH -/ nd nd Neurální diferenciace Indukce osteoklastů nd nd Srdeční hypertrofie -/ /+ +

12 IL-6 a IL-11 (hematopoetické a imunitní buňky, fibroblasty) se uplatňují zejména v regulaci hematopoésy a imunitní odpovědi. Obecně podporují proliferaci a diferenciaci hematopoetických progenitorů. IL-6 indukuje produkci protilátek B-lymfocyty. IL-11 podporuje vznik NK buněk, a podílí se na zdravém vývoji placenty. IL-6 patří také mezi myokiny (myokiny - cytokiny produkované svalovými buňkami). LIF (široké spektrum buněk, zejména mezenchymálního původu) má zásadní význam v reproducki, je nezbytný pro usazení blastocysty v děložní sliznici a pro přežívání a růst spermatocytů. V průběhu neurogeneze indukuje vznik astrocytů z neurálních progenitorů, indukuje diverzifikaci některých typů neuronů (např adrenergní na cholinergní). Celkově s podílí na regulaci diferenciace motoneuronů. V hematopoése indukuje zejména diferenciaci buněk myeloidní řady. Blokuje transport lipidů do adipocytů. V játrech indukuje produkci proteinů akutní fáze zánětu. Podílí se na růstu kostí, zvyšuje resorpci vápníku i počet osteoklastů, zároveň zvyšuje i počet osteoblastů. Působí hypertrofně na svalové buňky (i srdeční). Je hlavní regulátor produkce ACTH.

13

14 CNTF, CLC, CT-1 a NPN (hlavně neurální buňky glie, astrocyty) působí zejména v průběhu neurogeneze, podobně jako LIF. Svaly produkovaný CT-1 reguluje jejich spojení s motoneurony, podporuje přežívání a růst kardiomyocytů. CNTF brání demyelinizaci neuronu. Uplatňují se ovšem i v hematopoése. (2.3 % japonců jsou CLC -/-, myši mají podobný fenotyp jako CNTF -/-) OSM (monocyty, lymfocyty) v hematopoése regulace trombopoésy a erytropoésy, v neurogenezi podpora motoneuronů.

15 LIF a IL-11 a zahnízdění (implantaci / nidaci) blastocysty ve sliznici dělohy (endometriu) a) estrogen a progesteron, zvyšují proliferaci a diferenciaci buněk sliznice b) Estrogen indukuje produkci LIF žlázkami endometria. LIF je produkován do lumen dělohy kde aktivuje buňky luminálního epitelu k produkci mnoha genů zahrnujících i faktory buněčné adheze jako jsou Coch a CD9. c) Invaginující blastocysta spouští procesy decidualizace řízené prostaglandiny (produkovanými Cox-2) a IL-11 Hondo, 2004

16 Vliv antagonistů (LIFA & IL11A) na průběh implantace blastocysty do endometria dělohy.

17 Požkození způsobené nadbytkem LIF Myším byly transplantovány buňky produkující zvýšené množství LIF. Tyto buňky se přednostně usazují v kostní dřeni a ve slezině. Po 2-3 měsících dochází ke ztrátě hmotnosti, kachexii, nervozitě a hypermobilitě myší (A). Detekujeme také zvýšenou proliferaci v dřeni dlouhých kostí (B), kalcifikaci v játrech, srdci a svalech. Dále pozorujeme ztrátu tukové tkáně, atrofii thymu, absenci žlutého tělíska v ováriu, absenci spermatogonií v semenotvorných kanálcích (C). Nadbytek hyper-il6 zesílení tlouštky stěn srdečních komor, hematopoéza mimo kostní dřeň, thrombocytózy, plasmacytomy, hyperplasie hepatocytů Metcalf, 2003

18 Myši deficientní k některému z IL-6 cytokinům jsou životaschopné a s výjimkou LIF a IL-11 -/- i plodné. Jsou však menší, s poruchami hematopoésy, adipopoésy, a s nedostatečnou imunitní odpovědí. LIF, CNTF, CT-1, CLC -/- mají také nedostatečně vyvinuté motoneurony a jejich propojení se svaly, jsou hypermotorické, ale na pokraji smrti. Mnohem zásadnější význam má absence / nefunkční mutace jejich receptorů. IL-6R -/-??? LIF-R - / - Myši hynou před a těsně po narození, zejména v důsledku chyb v neurogenezi, hematopoéze, celkovém metabolismu (hypoxie v důsledku špatně vyvinuté placenty) a nedostatečně vyvinuté kostry.

19 IL-11Ra -/- Normální hematopoéza, ale změny v tvorbě kostní tkáně, neplodné samice v důsledku chyb ve vývoji placenty. Některé imbrední kmeny myší mají navíc IL-11-Ra2 OSM-R - / - Výrazné snížení krvetvorby, jak na úrovni progenitorů, tak v počtu periferních elementů CNTF-R - / - Poškozené motoneurony => myši hynou hlady pro neschopnost sát CLF -/- Poškozené motoneurony => myši hynou hlady pro neschopnost sát

20 Gp130 - / - Myši hynou během embryonálního vývoje v (8-12 den ~ organogeneze, ds celkový), v důsledku poruch v hematopoéze, neurogenezi, kardiogeneze, hepatogenezi, Tyto poruchy se objevují i v dospělosti, jak dokazují experimenty s tzv. kondiciovanými mutanty Fasnacht & Muller 2008

21 Význam transdukce signálu gp130 ve vývoji kostí (Sims 2008)

22 Transdukce signálu gp130 cytokinů Ernst 2004

23 Komplex ligand / vysoce afinitní receptor / gp130 spouští několik paralelních drah transdukce signálu, hlavní / fyziologicky nejvýznamnější se zdá dráha JAK -> STAT. JAK Janusova kináza (tyrosin kináza) STAT transduktor signálu a aktivátor transkripce (signal transducer and activator of transcription) Heinrich 2003

24 Rovnováha mezi JAK/STAT a Ras/Erk signalizací při aktivaci gp130 receptoru Ernst 2004

25 Biologická odpověd pro různě aktivní gp130 receptor Ernst 2004

26 Regulace signální kaskády gp130 cytokinů je také regulovány specifickými protein tyrosin fosfatázami. V signalizaci gp130 cytokinů hraje klíčovou roli tyrosin fosfatáza SHP2. Zde (gp130 a LIFR) spouští signalizaci kaskádou Ras/Erk (MAPK) kompetice s JAK/STAT. V případě zapojení OSMR, je nahrazena adaptérovým proteinem Shc. Heinrich 2003

27 Komplex OSM / OSMR / gp130 aktivuje Erk (MAPK) dráhu přes Shc a ne přes SHP2 jako LIF-R a gp130. V některých případech je preferenčně aktivována dráha Erk a STAT5. Heinrich 2003

28 Jak a STAT proteiny se účastní i signalizace dalších cytokinů

29 Liu, 1998

30 Fenotyp u myši v důsledku deplece LIF/gp130 -> STAT3 signalizace (souhrn) Boiani & Scholer 2005

31 aktivace (JAKs) regulace STAT1 Tyr701 Ser727 STAT2 Tyr690 (Ser287) STAT3 Tyr705 Ser727 STAT4 Tyr693 Ser721 STAT5a/b Tyr694 Ser725/S730 STAT6 Tyr641 Ser756 STATs jsou fosforylovány na serinech kinázami PKCd, Erk, JNK, p38. Význam této fosforylace a ani její přesný mechanismus není objasněn. Zdá se, že tato fofsforylace může zvyšovat transkripční aktivitu proteinů STAT.

32 Další významné signální dráhy aktivované gp130 cytokiny aktivací JAK jsou: a) Tyrosin-kinázy Src rodiny: Hck (IL-6, LIF), cyes (LIF) b) PI3-K (fosfoinositol-3 kináza, PI3K -> Akt (PKB)) Obě tyto dráhy jsou zodpovědné zejména za pro-proliferační a anti-apoptické účinky gp130 aktivace. Aktivovaný receptor gp130 také asociuje s PKCd, jež fosforyluje jeho Thr 890 a zvyšuje tak afinitu tohoto receptoru k STAT3.

33 ALTERNATIVNÍ DRÁHY AKTIVACE STAT3 Aktivace prostřednictvím proteinů Hes (transkripční cíle signální dráhy Notch - protein Hes je schopen asociace s JAK2, jeho aktivace vedoucí k aktivaci STAT3 = fosforylace Y705 a dimerizace - sebeobnova neurálních kmenových buněk - propgrese nádorů Notch Hes Hes JAK2 ATP STAT3 STAT3 P

34 Regulace / zpětná vazba v transdukci signálu gp130 cytokinů

35 Negativní zpětná vazba aktivace gp130 signální dráhy je zprostředkována indukcí exprese proteinu SOCS (I.), inhibice pak interakcí PIAS se STAT (II.) a defosforylací STAT fosfatásou Tc-PTP (III.). Absence SOCS má v mnoha ohledech podobný účinek jako absence některého z komponet kaskády LIF->gp130->STAT3. Wormald 2003

36 Inhibice funkcí fosforylovaných gp130 receptorů a JAK proteiny SOCS Piessevaux 2008

37 SOCS (supresor signálu cytokinů / suppressor of cytokine signaling) jejich exprese je indukována aktivací gp130 a dráhy JAK->STAT. Asociují s JAK, inhibují tak její aktivitu a tím je zastavena fosforylace / aktivace STAT (zpětná vazba). Jednotlivé SOCS proteiny vykazují jistou specifitu pro jednotlivé gp130 signální komplexy. SOCS proteiny = CIS (cytokine-inducible SH2 protein) a SOCS1-SOCS7. IL-6 (CIS, SOCS1,2,3), LIF (CIS, SOCS1,2,3), IL-11 (SOCS3), OSM (CIS, SOCS1,3) Piessevaux 2008

38 Základní struktura jednotlivých SOCS proteinů Piessevaux 2008

39 SOCS hrají také významnou úlohu v signalizaci ostatních STATs aktivujících cytokinů zejména IFNs. Poruchy regulace exprese SOCS proteinů je často spojena s negativní prognózou u nádorových onemocnění nebo s auto-imunitními poruchami. Li 2007

40 PIAS (protein inhibující aktivovaný STAT) asociují s fosforylovanými STAT proteiny (pravděpodobně až v buněčném jádře) a brání přímo jejich vazbě s DNA nebo jako ko-represory blokují jimi zprostředkovanou transkripci. Inhibice je často spojena s degradací případně translokací STAT proteinů drahou podobnou ubiquitinaci. PIAS fungují jako SUMO (small ubiquitin-related modifier) ligáza. - PIAS1 (STAT1) - PIAS3 (STAT3) - PIASxa - PIASxb - PIASy (STAT1) Rakesh, 2005 Shuai & Liu 2005

41 a) schematická struktura jednotlivých proteinů PIAS Shuai & Liu 2005 The SAP domain (scaffold-attachment factor A (SAFA) and SAFB, apoptotic chromatin-condensation inducer in the nucleus (ACINUS) and PIAS domain), which contains a conserved LXXLL amino-acid motif (where X denotes any amino acid); the PINIT amino-acid motif, which is present in all PIAS proteins except PIASyE6 ; the RLD (RING-finger-like zinc-binding domain); the AD (highly acidic domain), which contains a SUMO1 (small ubiquitin-like modifier 1)-interaction motif (red) that is found in all PIAS proteins except PIASy and PIASyE6 ; and the S/T region (serine- and threonine-rich region), which is also not present in PIASy and PIASyE6

42 b) některé ze signálních drah interagujících s proteiny PIAS Shuai & Liu 2005

43 Sumarizace regulace transdukce signálů gp130 cytokinů Ernst 2004

44 Terapie s využitím znalostí signální transdukce gp130 cytokinů a) Modulace reakcí imunitního systému, zejména útlum průběhu zánětu - antagonisté receptorů, inhibitory JAK a STAT aktivity b) Potlačení nádorových onemocnění - aplikace cytokinů a agonistů receptorů (leukémie), inhibitory JAK a STAT aktivity c) Potlačení neurodegenerativních onemocnění - aplikace zejména CNTF a jeho derivátů (ligand-receptor) d) Podpora hematopoézy - aplikace cytokinů e) Potenciálně zvýšení úspěšnosti IVF Vysoká promiskuita mezi receptory a cytokiny (zejména při vyšších dávkách), která často vede k nežádoucím vedlejším účinkům (kachexie, zánět, vyšší citlivost k infekcím) je řešena vytvářením solubilních komplexů ligand-receptor.

45 Literatura ke studiu: 1. Akira, S Functional Roles of STAT Family Proteins: Lessons from Knockout Mice. Stem Cells 17: Auernhammer, C. J., and S. Melmed Leukemia-Inhibitory Factor-Neuroimmune Modulator of Endocrine Function. Endocrine Reviews 21: Ernst, M., and Jenkins, B.J Acquiring signalling specificity from the cytokine receptor gp130. TRENDS in Genetics. 20: Heinrich, P. C., I. Behrmann, S. Haan, H. M. Hermanns, G. Muller-Newen, and F. Schaper Principles of interleukin (IL)-6-type cytokine signalling and its regulation. Biochem. J. 374: Igaz, P., S. Toth, and A. Falus Biological and clinical significance of the JAK-STAT pathway; lessons from knockout mice. Inflamm. res. 50: Liu, K. D., S. L. Gaffen, and M. A. Goldsmith JAK/STAT signaling by cytokine receptors. Current Opinion in Immunology 10: Metcalf, D The Unsolved Enigmas of Leukemia Inhibitory Factor. Stem Cells 21: Murphy, M., R. Dutton, S. Koblar, S. Cheema, and P. Bartlett Cytokines which signal through the LIF receptor and their actions in the nervous system. Progress in Neurobiology 52: Rose-John, S GP130 stimulation and the maintenance of stem cells. TRENDS in Biotechnology 20: Taga, T The signal transducer gp130 is shared by interleukin-6 family of haematopoietic and neurotrophic cytokines. Ann Med 29:63-72.